KR20150114568A - 초음파 유량계, 유체 속도 측정 방법 및 유체 속도 측정 프로그램 - Google Patents

초음파 유량계, 유체 속도 측정 방법 및 유체 속도 측정 프로그램 Download PDF

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Abstract

[과제] 초음파 송수신부가 간섭하지 않고서, 유체의 속도를 정확하게 측정할 수 있는 초음파 유량계, 유체 속도 측정 방법 및 유체 속도 측정 프로그램을 제공한다.
[해결수단] 본체부(50)는, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2n-1회(n은 양의 정수) 횡단하는 제1 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부(30)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부(20)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제1 전파 시간차와, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2m-1회(m은 n 이외의 양의 정수) 횡단하는 제2 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부(30)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부(20)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분을 산출한다.

Description

초음파 유량계, 유체 속도 측정 방법 및 유체 속도 측정 프로그램{ULTRASONIC FLOW METER, FLOW VELOCITY MEASUREMENT METHOD, AND FLOW VELOCITY MEASUREMENT PROGRAM}
본 발명에 따른 몇 가지의 양태는, 초음파를 이용하여 배관을 흐르는 유체의 속도를 측정하는 초음파 유량계, 유체 속도 측정 방법 및 유체 속도 측정 프로그램에 관한 것이다.
종래, 이런 유형의 초음파 유량계로서, 배관의 흐름 방향의 상류 측과 하류 측에 한 쌍의 초음파 송수신기를 배치하고, 이들 초음파 송수신기 사이의 배관 내에 초음파 반사체를 부착한 것이 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1: 일본 특허 제4939907호 공보
그러나, 종래의 초음파 유량계와 같이, 한 쌍의 초음파 송수신기가 배관의 동일 직선상에 배치되어 있는 초음파 유량계에서는, 측정 가능한 유체의 속도를 크게하기 위해서, 초음파 송수신기의 치수, 특히, 배관의 축 방향의 길이를 크게 하면, 초음파 송수신기끼리 간섭할 우려가 있었다.
한편, 그 밖의 초음파 유량계로서, 한 쌍의 초음파 송수신기가 배관을 사이에 두고서 배치되는 것도 있었다.
그러나, 이 초음파 유량계에서는, 배관의 내부를 흐르는 유체의 속도가, 배관의 축 방향에 수직인 성분을 포함하는 경우에, 유체의 속도를 정확하게 측정할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
본 실시형태의 몇 가지의 양태는 전술한 문제에 감안하여 이루어진 것으로, 초음파 송수신부가 간섭하지 않고서 유체의 속도를 정확하게 측정할 수 있는 초음파 유량계, 유체 속도 측정 방법 및 유체 속도 측정 프로그램을 제공하는 것을 목적의 하나로 한다.
본 발명에 따른 초음파 유량계는, 내부를 유체가 흐르는 배관에 설치되어, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제1 초음파 송수신부와, 제1 초음파 송수신부에 대하여 하류 측의 전술한 배관에 설치되어, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제2 초음파 송수신부와, 전술한 유체의 속도를 측정하는 본체부를 구비하고, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부는, 전술한 유체를 사이에 두고서 배치되고, 본체부는, 전술한 배관의 내부를 직경 방향으로 2n-1회(n은 양의 정수) 횡단하는 제1 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제1 전파 시간차와, 전술한 배관의 내부를 직경 방향으로 2m-1회(m은 n 이외의 양의 정수) 횡단하는 제2 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제2 전파 시간차에 기초하여, 전술한 유체 속도에 있어서의 전술한 배관의 축에 평행한 성분을 산출한다.
이러한 구성에 따르면, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부가, 배관의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 배치되고, 본체부가, 배관의 내부를 직경 방향으로 2n-1회(n은 양의 정수) 횡단하는 제1 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제1 전파 시간차와, 배관의 내부를 직경 방향으로 2m-1회(m은 n 이외의 양의 정수) 횡단하는 제2 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분을 산출한다. 여기서, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차와의 차로부터, 배관의 내부를 직경 방향으로 2(n-m)회, 즉, 짝수 회 횡단하는 유체 전파 경로에 관해서, 초음파가 하류 측에서 상류 측으로 전파하는 시간과 초음파가 상류 측에서 하류 측으로 전파하는 시간과의 전파 시간차를 구하는 것이 가능하다. 그리고, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분은, 유체 속도의 측정 전에 이미 알려진 값과, 배관의 내부를 직경 방향으로 짝수 회 횡단할 때의 전파 시간차를 이용하여 나타내어진다. 따라서, 본체부는, 유체의 흐름이 배관의 축에 대하여 각도를 가지며, 유체의 속도가 배관의 축에 수직인 성분을 포함하는 경우라도, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분을 정확하게 산출할 수 있다.
또한, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분이 산출되기 때문에, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 수직인 성분의 영향을 억제하기 위해서, 상류 측에 긴 직관(直管)을 배치할 필요가 없다.
또한, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부가, 배관의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 배치된다. 이에 따라, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부의 치수(배관의 축 방향의 길이)가 커지더라도, 상호 간섭하여 설치의 장해(방해)가 되는 일은 없다.
또한, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부를, 배관의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 배치함으로써, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부를 배관의 동일 직선상에 배치하는 경우와 비교하여, 배관 전파파를 수신하기 어렵게 된다.
바람직하게는, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부의 각각은, 전술한 배관의 외주에 설치되는 초음파 센서를 구비한다.
이러한 구성에 따르면, 제1 초음파 송수신부가 배관의 외주에 설치되는 초음파 센서를 구비하고, 제2 초음파 송수신부가 배관의 외주에 설치되는 초음파 센서를 구비한다. 이에 따라, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부를, 배관 공사를 하는 일없이, 배관에 용이하게 설치할 수 있다.
바람직하게는, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부의 각각은, 전술한 배관의 외주에 설치되는 초음파 센서를 2개 구비한다.
이러한 구성에 따르면, 제1 초음파 송수신부(20)가 배관의 외주에 설치되는 초음파 센서를 2개 구비하고, 제2 초음파 송수신부가 배관의 외주에 설치되는 초음파 센서를 2개 구비한다. 이에 따라, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부를, 배관 공사를 하는 일없이, 배관에 용이하게 설치할 수 있다.
또한, 제1 초음파 송수신부가 2개의 초음파 센서를 구비하고, 제2 초음파 송수신부가 2개의 초음파 센서를 구비하기 때문에, 예컨대, 제1 초음파 송수신부의 한쪽의 초음파 센서 및 제2 초음파 송수신부의 한쪽의 초음파 센서를 이용하여 제1 전파 시간차를 계측하고, 제1 초음파 송수신부의 다른 쪽의 초음파 센서 및 제2 초음파 송수신부의 다른 쪽의 초음파 센서를 이용하여 제2 전파 시간차를 계측하는 것이 가능하게 된다.
또한, 제1 유체 전파 경로는, 전술한 배관의 내부를 직경 방향으로 3회 횡단하는 경로이고, 제2 유체 전파 경로는, 전술한 배관의 내부를 직경 방향으로 1회 횡단하는 경로이다.
이러한 구성에 따르면, 제1 유체 전파 경로가 배관의 내부를 직경 방향으로 3회 횡단하는 경로이고, 제2 유체 전파 경로가 배관의 내부를 직경 방향으로 1회 횡단하는 경로이다. 이에 따라, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 배관의 내부를 직경 방향으로 2회 횡단하는 경로의 전파 시간차를 용이하게 구할 수 있어, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분을 산출하는 본체부를 용이하게 실현(구성)할 수 있다.
또한, 제1 유체 전파 경로는, 전술한 배관의 내부를 직경 방향으로 5회 횡단하는 경로이고, 제2 유체 전파 경로는, 전술한 배관의 내부를 직경 방향으로 3회 횡단하는 경로이다.
이러한 구성에 따르면, 제1 유체 전파 경로가 배관의 내부를 직경 방향으로 5회 횡단하는 경로이고, 제2 유체 전파 경로가 배관의 내부를 직경 방향으로 3회 횡단하는 경로이다. 이에 따라, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 배관의 내부를 직경 방향으로 2회 횡단하는 경로의 전파 시간차를 용이하게 구할 수 있어, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분을 산출하는 본체부를 용이하게 실현(구성)할 수 있다.
또한, 제1 유체 전파 경로는, 전술한 배관의 내부를 직경 방향으로 7회 횡단하는 경로이고, 제2 유체 전파 경로는, 전술한 배관의 내부를 직경 방향으로 5회 횡단하는 경로이다.
이러한 구성에 따르면, 제1 유체 전파 경로가 배관의 내부를 직경 방향으로 7회 횡단하는 경로이고, 제2 유체 전파 경로가 배관의 내부를 직경 방향으로 5회 횡단하는 경로이다. 이에 따라, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 배관의 내부를 직경 방향으로 2회 횡단하는 경로의 전파 시간차를 용이하게 구할 수 있어, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분을 산출하는 본체부를 용이하게 실현(구성)할 수 있다.
본 발명에 따른 유체 속도 측정 방법에 의하면, 내부를 유체가 흐르는 배관에 설치되어, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제1 초음파 송수신부와, 제1 초음파 송수신부에 대하여 하류 측의 배관에 설치되어, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제2 초음파 송수신부와, 전술한 유체의 속도를 측정하는 본체부를 구비하고, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부는, 전술한 유체를 사이에 두고서 배치되는 초음파 유량계가 사용하는 유체 속도 측정 방법으로서, 전술한 배관의 내부를 직경 방향으로 2n-1회(n은 양의 정수) 횡단하는 제1 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제1 전파 시간차와, 전술한 배관의 내부를 직경 방향으로 2m-1회(m은 n 이외의 양의 정수) 횡단하는 제2 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제2 전파 시간차에 기초하여, 전술한 유체 속도에 있어서의 전술한 배관의 축에 평행한 성분을 산출하는 단계를 포함한다.
이러한 구성에 따르면, 배관의 내부를 직경 방향으로 2n-1회(n은 양의 정수) 횡단하는 제1 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제1 전파 시간차와, 배관의 내부를 직경 방향으로 2m-1회(m은 n 이외의 양의 정수) 횡단하는 제2 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분을 산출하는 단계가 포함된다. 여기서, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차와의 차로부터, 배관의 내부를 직경 방향으로 2(n-m)회, 즉, 짝수 회 횡단하는 유체 전파 경로에 관해서, 초음파가 하류 측에서 상류 측으로 전파하는 시간과 초음파가 상류 측에서 하류 측으로 전파하는 시간과의 전파 시간차를 구하는 것이 가능하다. 그리고, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분은, 유체 속도의 측정 전에 이미 알려진 값과, 배관의 내부를 직경 방향으로 짝수 회 횡단할 때의 전파 시간차를 이용하여 나타내어진다. 따라서, 본체부는, 유체의 흐름이 배관의 축에 대하여 각도를 가지며, 유체의 속도가 배관의 축에 수직인 성분을 포함하는 경우라도, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분을 정확하게 산출할 수 있다.
또한, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분이 산출되기 때문에, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 수직인 성분의 영향을 억제하기 위해서, 상류 측에 긴 직관을 배치할 필요가 없다.
또한, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부가, 배관의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 배치된다. 이에 따라, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부의 치수(배관의 축 방향의 길이)가 커지더라도, 상호 간섭하여 설치의 장해(방해)가 되는 일은 없다.
또한, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부를, 배관의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 배치함으로써, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부를 배관의 동일 직선상에 배치하는 경우와 비교하여, 배관 전파파를 수신하기 어렵게 된다.
본 발명에 따른 유체 속도 측정 프로그램에 의하면, 내부를 유체가 흐르는 배관에 설치되어, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제1 초음파 송수신부와, 제1 초음파 송수신부에 대하여 하류 측의 배관에 설치되어, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제2 초음파 송수신부와, 전술한 유체의 속도를 측정하는 본체부를 구비하고, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부는, 전술한 유체를 사이에 두고서 배치되는 초음파 유량계가 실행하는 유체 속도 측정 프로그램으로서, 전술한 배관의 내부를 직경 방향으로 2n-1회(n은 양의 정수) 횡단하는 제1 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제1 전파 시간차와, 전술한 배관의 내부를 직경 방향으로 2m-1회(m은 n 이외의 양의 정수) 횡단하는 제2 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제2 전파 시간차에 기초하여, 전술한 유체 속도에 있어서의 전술한 배관의 축에 평행한 성분을 산출하는 단계를 포함한다.
이러한 구성에 따르면, 배관의 내부를 직경 방향으로 2n-1회(n은 양의 정수) 횡단하는 제1 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제1 전파 시간차와, 배관의 내부를 직경 방향으로 2m-1회(m은 n 이외의 양의 정수) 횡단하는 제2 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분을 산출하는 단계가 포함된다. 여기서, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차와의 차로부터, 배관의 내부를 직경 방향으로 2(n-m)회, 즉, 짝수 회 횡단하는 유체 전파 경로에 관해서, 초음파가 하류 측에서 상류 측으로 전파하는 시간과 초음파가 상류 측에서 하류 측으로 전파하는 시간과의 전파 시간차를 구하는 것이 가능하다. 그리고, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분은, 유체 속도의 측정 전에 이미 알려진 값과, 배관의 내부를 직경 방향으로 짝수 회 횡단할 때의 전파 시간차를 이용하여 나타내어진다. 따라서, 본체부는, 유체의 흐름이 배관의 축에 대하여 각도를 가지며, 유체의 속도가 배관의 축에 수직인 성분을 포함하는 경우라도, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분을 정확하게 산출할 수 있다.
또한, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분이 산출되기 때문에, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 수직인 성분의 영향을 억제하기 위해서, 상류 측에 긴 직관을 배치할 필요가 없다.
또한, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부가, 배관의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 배치된다. 이에 따라, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부의 치수(배관의 축 방향의 길이)가 커지더라도, 상호 간섭하여 설치의 장해(방해)가 되는 일은 없다.
또한, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부를, 배관의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 배치함으로써, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부를 배관의 동일 직선상에 배치하는 경우와 비교하여, 배관 전파파를 수신하기 어렵게 된다.
본 발명의 초음파 유량계에 따르면, 본체부는, 유체의 흐름이 배관의 축에 대하여 각도를 가지며, 유체의 속도가 배관의 축에 수직인 성분을 포함하는 경우라도, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분을 정확하게 산출할 수 있다. 따라서, 초음파 유량계는, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분에 기초하여, 유체의 유량을 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 수직인 성분의 영향을 억제하기 위해서, 상류 측에 긴 직관을 배치할 필요가 없다. 따라서, 초음파 유량계는, 설치 위치의 제약(제한)을 완화할 수 있어, 예컨대, 굴곡된 배관의 바로 뒤에 설치하는 등, 임의의 장소에 설치할 수 있다.
또한, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부의 치수(배관의 축 방향의 길이)가 커지더라도, 상호 간섭하여 설치의 장해(방해)가 되는 일은 없다. 따라서, 초음파 유량계는, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부의 치수(배관의 축 방향의 길이)를 크게 하여 측정할 수 있는 유속 범위를 용이하게 넓힐 수 있다.
또한, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부를 배관의 동일 직선상에 배치하는 경우와 비교하여, 배관 전파파를 수신하기 어렵게 된다. 따라서, 초음파 유량계는 SN비를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 유체 속도 측정 방법에 따르면, 본체부는, 유체의 흐름이 배관의 축에 대하여 각도를 가지며, 유체의 속도가 배관의 축에 수직인 성분을 포함하는 경우라도, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분을 정확하게 산출할 수 있다. 따라서, 초음파 유량계는, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분에 기초하여, 유체의 유량을 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 수직인 성분의 영향을 억제하기 위해서, 상류 측에 긴 직관을 배치할 필요가 없다. 따라서, 초음파 유량계는, 설치 위치의 제약(제한)을 완화할 수 있어, 예컨대, 굴곡된 배관의 바로 뒤에 설치하는 등, 임의의 장소에 설치할 수 있다.
또한, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부의 치수(배관의 축 방향의 길이)가 커지더라도, 상호 간섭하여 설치의 장해(방해)가 되는 일이 없다. 따라서, 초음파 유량계는, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부의 치수(배관의 축 방향의 길이)를 크게 하여 측정할 수 있는 유속 범위를 용이하게 넓힐 수 있다.
또한, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부를 배관의 동일 직선상에 배치하는 경우와 비교하여, 배관 전파파를 수신하기 어렵게 된다. 따라서, 초음파 유량계는 SN비를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 유체 속도 측정 프로그램에 따르면, 본체부는, 유체의 흐름이 배관의 축에 대하여 각도를 가지며, 유체의 속도가 배관의 축에 수직인 성분을 포함하는 경우라도, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분을 정확하게 산출할 수 있다. 따라서, 초음파 유량계는, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 평행한 성분에 기초하여, 유체의 유량을 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 유체 속도에 있어서의 배관의 축에 수직인 성분의 영향을 억제하기 위해서, 상류 측에 긴 직관을 배치할 필요가 없다. 따라서, 초음파 유량계는, 설치 위치의 제약(제한)을 완화할 수 있어, 예컨대, 굴곡된 배관의 바로 뒤에 설치하는 등, 임의의 장소에 설치할 수 있다.
또한, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부의 치수(배관의 축 방향의 길이)가 커지더라도, 상호 간섭하여 설치의 장해(방해)가 되는 일이 없다. 따라서, 초음파 유량계는, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부의 치수(배관의 축 방향의 길이)를 크게 하여 측정할 수 있는 유속 범위를 용이하게 넓힐 수 있다.
또한, 제1 초음파 송수신부 및 제2 초음파 송수신부를 배관의 동일 직선상에 배치하는 경우와 비교하여, 배관 전파파를 수신하기 어렵게 된다. 따라서, 초음파 유량계는 SN비를 향상시킬 수 있다.
도 1은 제1 실시형태에 있어서의 초음파 유량계의 개략 구성을 도시하는 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 제1 초음파 센서의 구성을 설명하는 확대 단면도이다.
도 3은 배관의 내부를 배관의 축에 평행한 방향으로 흐르는 유체의 속도를 산출하는 방법을 설명하기 위한 측방 단면도이다.
도 4는 배관의 내부를 배관의 축에 평행한 방향으로 흐르는 유체의 속도를 산출하는 방법을 설명하기 위한 측방 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시한 초음파 유량계가 배관의 내부를 흐르는 유체의 속도를 측정하는 동작의 일례를 설명하는 흐름도이다.
도 6은 제1 유체 전파 경로의 제1 전파 시간차의 계측의 일례를 설명하기 위한 측방 단면도이다.
도 7은 제2 유체 전파 경로의 제2 전파 시간차의 계측의 일례를 설명하기 위한 측방 단면도이다.
도 8은 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차와의 차를 산출하는 일례를 설명하기 위한 측방 단면도이다.
도 9는 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차와의 차를 산출하는 다른 예를 설명하기 위한 측방단면도이다.
도 10은 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차와의 차를 산출하는 또 다른 예를 설명하기 위한 측방 단면도이다.
도 11은 도 1에 도시한 제1 초음파 센서가 송신하는 초음파의 각도를 설명하는 확대 단면도이다.
도 12는 도 1에 도시한 제1 초음파 센서로부터 송신된 초음파를 제2 초음파 센서가 수신하는 모습을 설명하는 측방 단면도이다.
도 13은 도 1에 도시한 제2 초음파 센서로부터 송신된 초음파를 제1 초음파 센서가 수신하는 모습을 설명하는 측방 단면도이다.
도 14는 가상적인 초음파 유량계에 있어서의 제1 초음파 센서 및 제2 초음파 센서의 배치를 설명하는 측방 단면도이다.
도 15는 가상적인 초음파 유량계에 있어서의 제1 초음파 센서 및 제2 초음파 센서의 배치를 설명하는 측방 단면도이다.
도 16은 제2 실시형태에 있어서의 초음파 유량계의 개략 구성을 도시하는 구성도이다.
도 17은 제2 실시형태에 있어서의 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차와의 차를 산출하는 일례를 설명하기 위한 측방 단면도이다.
이하에 본 발명의 실시형태를 설명한다. 이하의 도면의 기재에 있어서, 동일하거나 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호로 나타내고 있다. 단, 도면은 모식적인 것이다. 따라서, 구체적인 치수 등은 이하의 설명을 대조하여 판단해야 할 것이다. 또한, 도면 상호 간에도 서로의 치수 관계나 비율이 다른 부분이 포함되어 있음은 물론이다. 한편, 이하의 설명에서, 도면의 상측을 「상」, 하측을 「하」, 좌측을 「좌」, 우측을 「우」라고 한다.
<제1 실시형태>
도 1 내지 도 15는, 본 발명에 따른 초음파 유량계, 유체 속도 측정 방법 및 유체 속도 측정 프로그램, 그리고 유체 속도 측정 방법의 제1 실시형태를 도시하기 위한 것이다. 도 1은 제1 실시형태에 있어서의 초음파 유량계(100)의 개략 구성을 도시하는 구성도이다. 도 1에 도시하는 것과 같이, 초음파 유량계(100)는, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체, 예컨대, 기체(가스)나 액체의 유속을 측정하기 위한 것이다. 배관(A)은, 예컨대, 스테인리스강(SUS) 등의 금속제 또는 플라스틱 등의 수지제의 관(관체)이다. 배관(A)은, 배관(A)의 축(긴 길이 방향)이 도 1에서의 좌우 방향, 배관(A)의 직경(짧은 길이 방향)이 도 1에서의 상하 방향이 되도록 배치되어 있다. 초음파 유량계(100)의 측정 대상인 유체는, 도 1에서 흰 화살표로 나타내는 방향(도 1에서의 좌측에서 우측의 방향)으로 흐르고 있다. 초음파 유량계(100)는, 제1 초음파 송수신부(20)와, 제2 초음파 송수신부(30)와, 본체부(50)를 구비한다.
제1 초음파 송수신부(20) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 각각은 초음파를 송신 및 수신하기 위한 것이다. 제1 초음파 송수신부(20)는 배관(A)의 소정의 위치에 설치되고, 제2 초음파 송수신부(30)는 제1 초음파 송수신부(20)에 대하여 하류 측(도 1에서의 우측)의 배관(A)에 설치된다. 바꿔 말하면, 제1 초음파 송수신부(20)는 제2 초음파 송수신부(30)에 대하여 상류 측(도 1에서의 좌측)의 배관(A)에 설치된다. 또한, 제1 초음파 송수신부(20) 및 제2 초음파 송수신부(30)는, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 대향하여 배치된다.
배관(A)의 상류 측에 배치되는 제1 초음파 송수신부(20)는, 예컨대, 배관(A)의 외주에 설치되는 제1 초음파 센서(20A)를 구비한다. 또한, 배관(A)의 하측에 배치되는 제2 초음파 송수신부(30)는, 예컨대, 배관(A)의 외주에 설치되는 제2 초음파 센서(30A)를 구비한다. 이에 따라, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제1 초음파 송수신부(20) 및 제2 초음파 송수신부(30)를, 배관 공사를 하는 일없이, 배관(A)에 용이하게 설치할 수 있다.
제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A)는 서로 초음파를 송수신한다. 즉, 제1 초음파 센서(20A)가 송신한 초음파는 제2 초음파 센서(30A)에 의해서 수신되고, 제2 초음파 센서(30A)가 송신한 초음파는 제1 초음파 센서(20A)에 의해서 수신된다.
도 2는 도 1에 도시한 제1 초음파 센서(20A)의 구성을 설명하는 확대 단면도이다. 도 2에 도시하는 것과 같이, 제1 초음파 센서(20A)는 웨지(21)와 초음파 송수신기(22)를 구비한다.
웨지(21)는, 배관(A)에 대하여 소정의 예각으로 초음파를 입사시키기 위한 것이며, 예컨대 수지제 또는 금속제의 부재이다. 웨지(21)는, 바닥면(21a)이 배관(A)의 외주면에 접촉하도록 설치된다. 또한, 웨지(21)는, 바닥면(21a)에 대하여 소정의 각도를 갖는 사면(21b)이 형성되어 있다. 사면(21b)에는 초음파 송수신기(22)가 설치된다.
본 실시형태에서는, 바닥면(21a)이 배관(A)의 외주면에 직접 접촉하는 예를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않는다. 제1 초음파 센서(20A)는, 바닥면(21a)과 배관(A)의 외주면과의 사이에, 접촉 매질(couplant)을 개재시키더라도 좋다.
초음파 송수신기(22)는, 초음파를 송신하는 동시에, 초음파를 수신하기 위한 것이다. 초음파 송수신기(22)는, 예컨대 압전 소자 등으로 구성할 수 있다. 초음파 송수신기(22)에는, 리드선(도시 생략)이 전기적으로 접속되어 있다. 리드선을 통해 소정 주파수의 전기 신호가 인가되면, 초음파 송수신기(22)는 그 소정 주파수로 진동하여 초음파를 발한다. 이에 따라, 초음파 송수신기(22)로부터 초음파가 송신된다. 또한, 도 2에서 파선의 화살표로 나타내는 것과 같이, 초음파 송수신기(22)의 치수(종횡의 길이)로 송신된 초음파는, 사면(21b)의 각도로 웨지(21)를 전파한다. 웨지(21)를 전파하는 초음파는, 웨지(21)와 배관(A)의 외벽과의 계면에서 굴절되어 입사각이 변화되고, 배관(A)의 내벽과 배관(A)의 내부를 흐르는 유체와의 계면에서 또 굴절되어 입사각이 변화되어, 상기 유체를 전파한다. 계면에 있어서의 굴절은, 스넬의 법칙에 따르기 때문에, 배관(A)을 전파할 때의 초음파의 속도, 유체를 전파할 때의 초음파의 속도에 기초하여, 사면(21b)의 각도를 미리 설정함으로써, 웨지(21)는 초음파를 원하는 각도로 배관(A)의 내부를 흐르는 유체에 입사시킬 수 있다.
한편, 초음파 송수신기(22)에 초음파가 도달하면, 초음파 송수신기(22)는, 그 초음파의 주파수로 진동하여 전기 신호를 발생시킨다. 이에 따라, 초음파 송수신기(22)에 의해서 초음파가 수신된다. 초음파 송수신기(22)에 발생한 전기 신호는 리드선을 통해 후술하는 본체부(50)에서 검출된다.
한편, 제2 초음파 센서(30A)는 제1 초음파 센서(20A)와 같은 구성을 구비한다. 즉, 제2 초음파 센서(30A)도 웨지(21)와 초음파 송수신기(22)를 구비한다. 따라서, 전술한 제1 초음파 센서(20A)의 설명을 가지고서 제2 초음파 센서(30A)의 상세한 설명을 대신한다.
도 1에 도시하는 본체부(50)는, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체의 속도를 측정하기 위한 것이다. 본체부(50)는, 전환부(51)와, 송신 회로부(52)와, 수신 회로부(53)와, 시간 계측부(54)와, 연산 제어부(55)와, 입출력부(56)를 구비한다.
전환부(51)는 초음파의 송신 및 수신을 전환하기 위한 것이다. 전환부(51)는 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A)에 접속되어 있다. 전환부(51)는, 예컨대, 전환 스위치 등을 포함하여 구성하는 것이 가능하다. 전환부(51)는, 연산 제어부(55)로부터 입력되는 제어 신호에 기초하여 전환 스위치를 전환하여, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A) 중 한쪽을 송신 회로부(52)에 접속시키는 동시에, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A) 중 다른 쪽을 수신 회로부(53)에 접속시킨다. 이에 따라, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A) 중 한쪽이 초음파를 송신하고, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A) 중 다른 쪽이 상기 초음파를 수신할 수 있다.
송신 회로부(52)는, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A)에 초음파를 송신시키기 위한 것이다. 송신 회로부(52)는, 예컨대, 소정 주파수의 구형파(矩形波)를 생성하는 발진 회로, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A)를 구동하는 구동 회로 등을 포함하여 구성하는 것이 가능하다. 송신 회로부(52)는, 연산 제어부(55)로부터 입력되는 제어 신호에 기초하여, 구동 회로가 발진 회로에 의해 생성된 구형파를 구동 신호로서 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A) 중 한쪽의 초음파 송수신기(22)에 출력한다. 이에 따라, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A)의 한쪽의 초음파 송수신기(22)가 구동되어, 상기 초음파 송수신기(22)가 초음파를 송신한다.
일반적으로, 초음파는 20[kHz] 이상 주파수대의 음파를 의미한다. 따라서, 초음파 송수신기(22)가 송신하는 초음파는 20[kHz] 이상 주파수대의 음파이다. 바람직하게는, 초음파 송수신기(22)가 송신하는 초음파는 100[kHz] 이상이며 2.0[MHz] 이하 주파수대의 초음파이다. 한편, 어느 경우라도, 제1 초음파 센서(20A)의 초음파 송수신기(22)가 송신하는 초음파와 제2 초음파 센서(30A)의 초음파 송수신기(22)가 송신하는 초음파는 동일 주파수라도 좋고, 다른 주파수라도 좋다.
수신 회로부(53)는, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A)가 수신한 초음파를 검출하기 위한 것이다. 수신 회로부(53)는, 예컨대, 신호를 소정의 이득(게인)으로 증폭하는 증폭 회로, 소정 주파수의 전기 신호를 추출하기 위한 필터 회로 등을 포함하여 구성하는 것이 가능하다. 수신 회로부(53)는, 연산 제어부(55)로부터 입력되는 제어 신호에 기초하여, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A) 중 한쪽의 초음파 송수신기(22)로부터 출력된 전기 신호를 증폭하고, 필터링하여 수신 신호로 변환한다. 수신 회로부(53)는, 변환한 수신 신호를 연산 제어부(55)에 출력한다.
시간 계측부(54)는 소정 기간에 있어서의 시간을 계측하기 위한 것이다. 시간 계측부(54)는, 예컨대 발진 회로 등으로 구성하는 것이 가능하다. 한편, 발진 회로는 송신 회로부(52)와 공유하도록 하여도 좋다. 시간 계측부(54)는, 연산 제어부(55)로부터 입력되는 스타트 신호 및 스톱 신호에 기초하여, 발진 회로의 기준파의 수를 카운트하여 시간을 계측한다. 시간 계측부(54)는 계측한 시간을 연산 제어부(55)에 출력한다.
연산 제어부(55)는, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체의 유량을 연산에 의해 산출하기 위한 것이다. 연산 제어부(55)는, 예컨대, CPU, ROM이나 RAM 등의 메모리, 입출력 인터페이스 등으로 구성할 수 있다. 또한, 연산 제어부(55)는, 전환부(51),송신 회로부(52), 수신 회로부(53), 시간 계측부(54) 및 입출력부(56) 등의 본체부(50)의 각 부를 제어한다.
입출력부(56)는, 사용자(이용자)가 정보를 입력하고 또 사용자에 대하여 정보를 출력하기 위한 것이다. 입출력부(56)는, 예컨대, 조작 버튼 등의 입력 수단, 표시 디스플레이 등의 출력 수단 등으로 구성할 수 있다. 사용자가 조작 버튼 등을 조작함으로써, 설정 등의 각종 정보가 입출력부(56)를 통해 연산 제어부(55)에 입력된다. 또한, 입출력부(56)는, 연산 제어부(55)에 의해 산출된 유체의 유량, 유체의 속도, 소정 기간에 있어서의 적산 유량 등의 정보를, 표시 디스플레이 등에 표시하여 출력한다.
한편, 이하의 도 3, 도 4 및 도 6 내지 도 15에서, 특별히 명기한 경우를 제외하고, 배관(A)의 축에 평행한 방향을 x축(또는 x축 방향), x축에 수직이며 배관(A)의 직경에 평행한 방향을 y축(또는 y축 방향), x축 및 y축에 수직인 방향을 z축(또는 z 축 방향)으로 하여 설명한다.
또한, 이하의 도 3, 도 4 및 도 6 내지 도 15에서, 특별히 명기한 경우를 제외하고, 유체의 속도를 V[m/s], 유체 속을 초음파가 전파할 때의 속도(이하, 음속이라고 함)를 C[m/s], 유체를 전파하는 초음파의 전파 경로 길이를 L[m]로 하고, 배관(A)의 축에 평행한 방향, 예컨대, 배관(A)의 내벽과 초음파의 전파 경로가 이루는 각도를 θ로 하여 설명한다.
도 3은 배관(A)의 내부를 배관(A)의 축에 평행한 방향으로 흐르는 유체의 속도를 산출하는 방법을 설명하기 위한 측방 단면도이다. 도 3에 도시하는 것과 같이, 유체는, 배관(A)의 내부를 x축 방향을 따라서 속도 V로 흐르고 있다. 여기서, 배관(A)의 상류 측(도 3에서 좌측)에 설치된 제1 초음파 센서(20A)가 초음파를 송신하고, 배관(A)의 하류 측(도 3에서 우측)에 설치된 제2 초음파 센서(30A)가 상기 초음파를 수신할 때에, 상기 초음파가 배관(A) 내부의 유체를 전파하는 전파 시간 t1d은 이하의 식(1)으로 나타내어진다.
Figure pct00001
한편, 배관(A)의 하류 측에 설치된 제2 초음파 센서(30A)가 초음파를 송신하고, 배관(A)의 상류 측에 설치된 제1 초음파 센서(20A)가 상기 초음파를 수신할 때에, 상기 초음파가 배관(A) 내부의 유체를 전파하는 전파 시간 t1u은 이하의 식(2)으로 나타내어진다.
Figure pct00002
식(1) 및 식(2)으로부터, 전파 시간 t1u과 전파 시간 t1d의 전파 시간차 Δt1(=t1u-t1d)는 이하의 식(3)으로 나타내어진다.
Figure pct00003
여기서, 음속 C은, 예컨대, 유체가 물(액체)인 경우에 1500[m/s] 정도이고, 유체가 공기(기체)인 경우에 343[m/s] 정도이다. 한편, 초음파 유량계(100)가 측정하는 유체 속도 V는 최대 30[m/s] 정도이다. 이 때문에, 식(3)의 분모에 있어서, 값 V2cosθ2는, 음속 C의 제곱과 비교하여 매우 작기 때문에, 이것을 생략하여도 상관없다고 생각된다. 그렇다면, 전파 시간차 Δt1는 이하의 식(4)으로서 나타낼 수 있다.
Figure pct00004
식(4)으로부터, 유체의 유속 V은 이하의 식(5)으로 나타내어진다.
Figure pct00005
식(5)에서, 음속 C, 전파 경로 길이 L 및 각도 θ는, 유체의 속도의 측정 전에 이미 알려진 값이므로, 전파 시간차 Δt1를 계측함으로써, 유체 속도 V는 식(5)으로부터 산출할 수 있다.
그리고, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체의 유량 Q[㎥/s]은, 보정 계수 K 및 배관(A)의 단면적 S[㎡]과, 유체 속도 V[m/s]를 이용하여 이하의 식(6)으로 나타내어진다.
Figure pct00006
따라서, 유체가 배관(A)의 내부를 x축 방향을 따라서 흐르고 있는 경우, 연산 제어부(55)는, 식(5)에 의해 산출한 유체 속도 V에 기초하여, 식(6)으로부터 배관(A)의 내부를 흐르는 유체의 유량 Q을 산출하는 것이 가능하게 된다.
도 4는 배관(A)의 내부를 배관(A)의 축에 대하여 각도를 가지고서 흐르는 유체의 속도를 산출하는 방법을 설명하기 위한 측방 단면도이다. 도 4에 도시하는 것과 같이, 유체는 배관(A)의 축(x축)에 대하여 각도 ε를 가지고서 흐르고 있고, 유체 속도 V는 배관(A)의 축(x축)에 수직인 방향(y축 방향)의 성분을 포함하고 있다. 이 경우, 배관(A)의 상류 측(도 4에서 좌측)에 설치된 제1 초음파 센서(20A)가 초음파를 송신하고, 배관(A)의 하류 측(도 4에서 우측)에 설치된 제2 초음파 센서(30A)가 상기 초음파를 수신할 때에, 상기 초음파가 배관(A) 내부의 유체를 전파하는 전파 시간 T1d은 이하의 식(11)으로 나타내어진다.
Figure pct00007
한편, 배관(A)의 하류 측에 설치된 제2 초음파 센서(30A)가 초음파를 송신하고, 배관(A)의 상류 측에 설치된 제1 초음파 센서(20A)가 상기 초음파를 수신할 때에, 상기 초음파가 배관(A)의 내부의 유체를 전파하는 전파 시간 T1u은 이하의 식(12)으로 나타내어진다.
Figure pct00008
식(11) 및 식(12)으로부터, 전파 시간 T1u과 전파 시간 T1d의 전파 시간차 ΔT1(=T1u-T1d)는 이하의 식(13)으로 나타내어진다.
Figure pct00009
여기서, 전술한 식(3)의 경우와 마찬가지로, 식(13)의 분모에 있어서, 값 V2cos(θ+ε)2은 음속 C의 제곱과 비교하여 매우 작기 때문에, 이것을 생략하여도 상관없다고 생각된다. 그렇다면, 전파 시간차 ΔT1는 이하의 식(14)으로서 나타낼 수 있다.
Figure pct00010
식(14)로부터, 유체의 유속 V는 이하의 식(15)으로 나타내어진다.
Figure pct00011
식(15)에서, 전파 경로 길이 L 및 각도 θ는, 유체 속도의 측정 전에 이미 알려진 값인 한편, 각도 ε는 유체 속도의 측정 이전에는 알지 못한다. 또한, 유체 속도의 측정 중에 각도 ε를 측정하는 것은 곤란하다. 더욱이, 유체가 약간 각도 ε를 갖는 경우라도, 각도 ε가 식(15)에서의 유속에 주는 영향이 크기 때문에, 식(15)으로부터 유체 속도 V를 산출하는 것은 곤란하다.
그 때문에, 종래의 초음파 유량계에서는, 제1 초음파 센서(20A)의 더욱 상류 측(도 4에서 좌측)에 충분히 긴 직관을 배치하여, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체에 있어서, 각도 ε를 저감시켜, 유체가 배관(A)의 축 방향에 평행한 방향으로 흐르도록 하고 있었다.
이어서, 초음파 유량계(100)가 유체의 속도를 측정하는 동작에 관해서 설명한다.
도 5는 도 1에 도시한 초음파 유량계(100)가 배관(A)의 내부를 흐르는 유체의 속도를 측정하는 동작의 일례를 설명하는 흐름도이다.
초음파 유량계(100)는, 예컨대 기동시에, 연산 제어부(55)가, ROM 등에 기억된 프로그램을 독출하여, 도 5에 도시하는 유체 속도 측정 처리(S200)를 실행한다.
처음에, 연산 제어부(55)는 소정의 설정치가 설정되어 있는지 여부를 판정한다(S201). 연산 제어부(55)는 소정의 설정치가 설정될 때까지 S201의 단계를 반복한다.
소정의 설정치는, 예컨대, 음속 C, 전파 경로 길이 L, 각도 θ, 보정 계수 K, 배관(A)의 단면적 S 등을 들 수 있다. 사용자(이용자)는, 유체의 속도를 측정하기 전에, 입출력부(56)를 통해 배관(A)의 정보나 유체의 정보 등을 입력한다. 연산 제어부(55)는, 입력된 정보에 기초하여, 대응하는 소정의 설정치를 독출하거나, 또는 소정의 설정치를 산출하여, 그 소정의 설정치를 불휘발성의 메모리 등에 기억해 둔다. 연산 제어부(55)는, 상기 메모리에 액세스함으로써 S201의 단계를 판정하는 것이 가능하게 된다.
한편, 연산 제어부(55)는, S201의 단계를 반복하는 동안에, 입출력부(56)를 통해, 표시 디스플레이 등의 출력 수단에, 사용자(이용자)에게 정보의 입력을 재촉하는 취지의 메시지 등을 표시하게 하도록 하여도 좋다.
S201의 판정 결과, 소정의 설정치가 설정되어 있는 경우, 연산 제어부(55)는, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2n-1회(n은 양의 정수) 횡단하는 제1 유체 전파 경로에 관해서, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과, 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제1 전파 시간차를 계측한다(S202).
구체적으로는, 우선, 연산 제어부(55)는, 전환부(51)에 제어 신호를 출력하여, 예컨대, 제1 초음파 센서(20A)를 송신 회로부(52)에 접속시키는 동시에, 제2 초음파 센서(30A)를 수신 회로부(53)에 접속시킨다. 그리고, 연산 제어부(55)는, 송신 회로부(52)에 제어 신호를 출력하여 제1 초음파 센서(20A)로부터 초음파를 송신시키는 동시에, 시간 계측부(54)에 스타트 신호를 출력한다. 이어서, 연산 제어부(55)는, 수신 회로부(53)로부터 입력되는 수신 신호에 기초하여, 시간 계측부(54)에 스톱 신호를 출력하여, 제1 유체 전파 경로를 초음파가 상류 측에서 하류 측으로 전파하는 전파 시간을 계측한다.
이어서, 연산 제어부(55)는, 전환부(51)에 제어 신호를 출력하여, 예컨대, 제2 초음파 센서(30A)를 송신 회로부(52)에 접속시키는 동시에, 제1 초음파 센서(20A)를 수신 회로부(53)에 접속시킨다. 그리고, 연산 제어부(55)는, 송신 회로부(52)에 제어 신호를 출력하여 제2 초음파 센서(30A)로부터 초음파를 송신시키는 동시에, 시간 계측부(54)에 스타트 신호를 출력한다. 이어서, 연산 제어부(55)는, 수신 회로부(53)로부터 입력되는 수신 신호에 기초하여, 시간 계측부(54)에 스톱 신호를 출력하여, 제1 유체 전파 경로를 초음파가 하류 측에서 상류 측으로 전파하는 전파 시간을 계측한다.
이어서, 연산 제어부(55)는, 제1 유체 전파 경로를 상류 측에서 하류 측으로 전파하는 전파 시간과, 제1 유체 전파 경로를 하류 측에서 상류 측으로 전파하는 전파 시간으로부터 제1 전파 시간차를 구한다.
도 6은 제1 유체 전파 경로의 제1 전파 시간차의 계측의 일례를 설명하기 위한 측방 단면도이다. 도 6에 도시하는 것과 같이, 제1 유체 전파 경로는, 예컨대 n=2, 즉, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 3회 횡단하는(가로지르는) 경로이다. 이 경우, 연산 제어부(55)는, 도 6에서 화살표로 나타내는 전파 시간 T3d 및 전파 시간 T3u을 계측한다. 그리고, 연산 제어부(55)는, 전파 시간 T3d 및 전파 시간 T3u으로부터, 제1 전파 시간차로서 전파 시간차 ΔT3(=T3u-T3d)를 구한다.
이어서, 도 5에 도시하는 것과 같이, 연산 제어부(55)는, 2m-1회(m은 n 이외의 양의 정수) 횡단하는 제2 유체 전파 경로에 관해서, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과, 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제2 전파 시간차를 계측한다(S203).
구체적으로는, 우선, 연산 제어부(55)는, 전환부(51)에 제어 신호를 출력하여, 예컨대, 제1 초음파 센서(20A)를 송신 회로부(52)에 접속시키는 동시에, 제2 초음파 센서(30A)를 수신 회로부(53)에 접속시킨다. 그리고, 연산 제어부(55)는, 송신 회로부(52)에 제어 신호를 출력하여 제1 초음파 센서(20A)로부터 초음파를 송신시키는 동시에, 시간 계측부(54)에 스타트 신호를 출력한다. 이어서, 연산 제어부(55)는, 수신 회로부(53)로부터 입력되는 수신 신호에 기초하여, 시간 계측부(54)에 스톱 신호를 출력하여, 제2 유체 전파 경로를 초음파가 상류 측에서 하류 측으로 전파하는 전파 시간을 계측한다.
이어서, 연산 제어부(55)는, 전환부(51)에 제어 신호를 출력하여, 예컨대, 제2 초음파 센서(30A)를 송신 회로부(52)에 접속시키는 동시에, 제1 초음파 센서(20A)를 수신 회로부(53)에 접속시킨다. 그리고, 연산 제어부(55)는, 송신 회로부(52)에 제어 신호를 출력하여 제2 초음파 센서(30A)로부터 초음파를 송신시키는 동시에, 시간 계측부(54)에 스타트 신호를 출력한다. 이어서, 연산 제어부(55)는, 수신 회로부(53)로부터 입력되는 수신 신호에 기초하여, 시간 계측부(54)에 스톱 신호를 출력하여, 제2 유체 전파 경로를 초음파가 하류 측에서 상류 측으로 전파하는 전파 시간을 계측한다.
이어서, 연산 제어부(55)는, 제2 유체 전파 경로를 상류 측에서 하류 측으로 전파하는 전파 시간과, 제2 유체 전파 경로를 하류 측에서 상류 측으로 전파하는 전파 시간으로부터 제2 전파 시간차를 구한다.
도 7은 제2 유체 전파 경로의 제2 전파 시간차의 계측의 일례를 설명하기 위한 측방 단면도이다. 도 7에 도시하는 것과 같이, 제2 유체 전파 경로는, 예컨대 m=1, 즉, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 1회 횡단하는(가로지르는) 경로이다. 이 경우, 연산 제어부(55)는, 도 7에서 화살표로 나타내는 전파 시간 T1d 및 전파 시간 T1u을 계측한다. 그리고, 연산 제어부(55)는, 전파 시간 T1d 및 전파 시간 T1u으로부터, 제2 전파 시간차로서 전파 시간차 ΔT1(=T1u-T1d)를 구한다.
이어서, 도 5에 도시하는 것과 같이, 연산 제어부(55)는, S202에서 계측한 제1 전파 시간차와 S203에서 계측한 제2 전파 시간차와의 차를 산출한다(S204).
여기서, S204에서 산출하는 차는, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2(n-m)회(m≠n), 즉, 짝수 회 횡단하는 경로에 관해서, 초음파가 하류 측에서 상류 측으로 전파하는 시간과 초음파가 상류 측에서 하류 측으로 전파하는 시간과의 시간차에 상당한다.
도 8은 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차와의 차를 산출하는 일례를 설명하기 위한 측방 단면도이다. 예컨대, 도 6에 도시하는 것과 같이, 제1 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 3회 횡단하는(가로지르는) 경로이고, 도 7에 도시하는 것과 같이, 제2 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 1회 횡단하는(가로지르는) 경로인 경우, 제1 유체 전파 경로와 제2 유체 전파 경로와의 차분의 경로는, 도 8에서 배관(A)의 내부에 실선으로 나타내는 것과 같이, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2회 횡단하는(가로지르는) 경로가 된다.
이 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2회 횡단하는(가로지르는) 경로를, 둘로 나눠 생각한다. 처음에, 도 8에서의 배관(A) 하측의 내벽에서 반사하여, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체를 배관(A)의 직경 방향으로 아래에서 위쪽 방향으로 횡단하는 경로에 관해서, 배관(A)의 상류 측(도 8에서 좌측)에 설치된 제1 초음파 센서(20A)로부터 송신된 초음파가 전파하는 전파 시간 T21d은, 유체가 배관(A)의 축에 대하여 각도 ε를 가지고서 흐르고 있는 경우에, 이하의 식(21)으로 나타내어진다.
Figure pct00012
한편, 동일한 경로에 관해서, 배관(A)의 하류 측(도 8에서 좌측)에 설치된 제2 초음파 센서(30A)로부터 송신된 초음파가 전파하는 전파 시간 T21u은 이하의 식(22)으로 나타내어진다.
Figure pct00013
식(21) 및 식(22)으로부터, 전파 시간 T21u과 전파 시간 T21d의 전파 시간차 ΔT21(=T21u-T21d)는, 이하의 식(23)으로 나타내어진다.
Figure pct00014
여기서, 전술한 식(3) 및 식(13)의 경우와 마찬가지로, 식(23)의 분모에 있어서, 값 V2cos(θ-ε)2은 음속 C의 제곱과 비교하여 매우 작기 때문에, 이것을 생략하여도 상관없다고 생각된다. 그렇다면, 전파 시간차 ΔT21는 이하의 식(24)으로서 나타낼 수 있다.
Figure pct00015
이어서, 도 8에서의 배관(A) 상측의 내벽에서 반사하여, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체를 배관(A)의 직경 방향으로 위에서 아래쪽 방향으로 횡단하는 경로에 있어서, 배관(A)의 상류 측(도 8에서 좌측)에 설치된 제1 초음파 센서(20A)로부터 송신된 초음파가 전파하는 전파 시간 T22d은, 유체가 배관(A)의 축에 대하여 각도 ε를 가지고서 흐르고 있는 경우에, 이하의 식(25)으로 나타내어진다.
Figure pct00016
한편, 동일한 경로에 있어서, 배관(A)의 하류 측(도 8에서 좌측)에 설치된 제2 초음파 센서(30A)로부터 송신된 초음파가 전파하는 전파 시간 T22u은 이하의 식(26)으로 나타내어진다.
Figure pct00017
식(25) 및 식(26)으로부터, 전파 시간 T22u과 전파 시간 T22d의 전파 시간차 ΔT22(=T22u-T22d)는 이하의 식(27)으로 나타내어진다.
Figure pct00018
Figure pct00019
여기서, 전술한 식(23)의 경우와 마찬가지로, 식(27)의 분모에 있어서, 값 V2cos(θ+ε)2은, 음속 C의 제곱과 비교하여 매우 작기 때문에, 이것을 생략하여도 상관없다고 생각된다. 그렇다면, 전파 시간차 ΔT22는 이하의 식(28)으로서 나타낼 수 있다.
Figure pct00020
여기서, S202에서 계측한 제1 전파 시간차가, 도 6을 이용하여 설명한 것과 같이 전파 시간차 ΔT3이며, S203에서 계측한 제2 전파 시간차가, 도 7을 이용하여 설명한 것과 같이 전파 시간차 ΔT1인 경우, 전파 시간차 ΔT3와 전파 시간차 ΔT3의 차인 전파 시간차 ΔT2(=ΔT3-ΔT1)는, 전파 시간차 ΔT21와 전파 시간차 ΔT22의 합계이므로, 식(24)과 식(28)을 가산하여, 삼각함수의 덧셈정리를 이용하여 이하의 식(29)으로 나타내어진다.
Figure pct00021
또한, 배관(A)의 축에 대하여 각도 ε를 갖는 유체의 유속 V에 있어서, 배관(A)의 축에 평행한 성분은 Vcosε로 나타내어지기 때문에, 식(29)으로부터, 유체의 유속 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε은 이하의 식(30)으로 나타내어진다.
Figure pct00022
식(30)에는, 전술한 식(15)과는 달리, 각도 ε를 포함하는 항이 존재하지 않는다. 그리고, 식(30)에서, 음속 C, 전파 경로 길이 L 및 각도 θ는, 유체 속도의 측정 전에 이미 알려진 값이기 때문에, 식(30)으로부터, 전파 시간차 ΔT2에 기초하여, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε을 산출할 수 있다.
따라서, 도 5에 도시하는 것과 같이, 연산 제어부(55)는, 메모리 등에 기억된 음속 C, 전파 경로 길이 L 및 각도 θ를 독출하여, S204에서 산출한 차, 예컨대 전파 시간차 ΔT2와 식(30)으로부터, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε을 산출한다(S205).
또한, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체의 유량 Q[㎥/s]은, 보정 계수 K 및 배관(A)의 단면적 S[㎡]과, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε[m/s]을 이용하여 이하의 식(31)으로 나타내어진다.
Figure pct00023
따라서, 연산 제어부(55)는, 메모리 등에 기억된 보정 계수 K 및 단면적 S을 독출하여, S205에서 산출한 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε과 식(31)으로부터, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체의 유량 Q을 산출하고(S206), 유체 속도 측정 처리(S200)를 종료한다.
한편, 도 6 내지 도 8에서는, 제1 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 3회 횡단하는(가로지르는) 경로이고, 제2 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 1회 횡단하는(가로지르는) 경로인 예를 도시했지만, 이것에 한정되지 않는다.
도 9는 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차와의 차를 산출하는 다른 예를 설명하기 위한 측방 단면도이다. 도 9에 도시하는 예는, 제1 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 5회 횡단하는(가로지르는) 경로이고, 제2 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 3회 횡단하는(가로지르는) 경로이다. 이 경우, 제1 유체 전파 경로와 제2 유체 전파 경로와의 차분의 경로는, 도 9에서 배관(A)의 내부에 실선으로 나타내는 것과 같이, 도 8에 도시한 경우와 마찬가지로, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2회 횡단하는(가로지르는) 경로가 된다.
따라서, 연산 제어부(55)는, 전술한 도 6 내지 도 8의 예의 경우와 마찬가지로, S204에서 산출한 시간차, 예컨대 전파 시간차 ΔT2와 식(30)으로부터, S205에서 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε을 산출할 수 있다.
도 10은 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차와의 차를 산출하는 또 다른 예를 설명하기 위한 측방 단면도이다. 도 10에 도시하는 예는, 제1 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 7회 횡단하는(가로지르는) 경로이고, 제2 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 5회 횡단하는(가로지르는) 경로이다. 이 경우, 제1 유체 전파 경로와 제2 유체 전파 경로와의 차분의 경로는, 도 10에서 배관(A)의 내부에 실선으로 나타내는 것과 같이, 도 8 및 도 9에 도시한 경우와 마찬가지로, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2회 횡단하는(가로지르는) 경로가 된다.
따라서, 연산 제어부(55)는, 전술한 도 6 내지 도 8 및 도 9의 예의 경우와 마찬가지로, S204에서 산출한 차, 예컨대 전파 시간차 ΔT2와 식(30)으로부터, S205에서 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε을 산출할 수 있다.
또한, 도 8 내지 도 10의 예에서는, 제1 유체 전파 경로와 제2 유체 전파 경로와의 차분의 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2회 횡단하는(가로지르는) 경로인 경우를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않는다. 제1 유체 전파 경로와 제2 유체 전파 경로와의 차분의 경로는, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2(n-m)회(m≠n), 즉, 임의의 짝수 회 횡단하는(가로지르는) 경로이다.
여기서, 전술한 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2회 횡단하는(가로지르는) 경로의 예를, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2(n-m)회(m≠n), 즉, 임의의 짝수 회 횡단하는(가로지르는) 경로로까지 확장하거나 또는 일반화하여 설명한다.
배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2n-1회 횡단하는(가로지르는) 경로에 관해서, 배관(A)의 상류 측에 설치된 제1 초음파 센서(20A)로부터 송신된 초음파가 전파하는 전파 시간 T2nd은, 유체가 배관(A)의 축에 대하여 각도 ε를 가지고서 흐르고 있는 경우에, 전술한 식(25)으로 나타내어지는 전파 시간 T22d의 n회분과, 전술한 식(21)으로 나타내어지는 전파 시간 T21d의 n-1회분과의 합이므로, 이하의 식(41)으로 나타내어진다.
Figure pct00024
한편, 동일한 경로에 관해서, 배관(A)의 하류 측에 설치된 제2 초음파 센서(30A)로부터 송신된 초음파가 전파하는 전파 시간 T2nu은, 전술한 식(26)으로 나타내어지는 전파 시간 T22u의 n회분과, 전술한 식(22)으로 나타내어지는 전파 시간 T21u의 n-1회분과의 합이므로, 이하의 식(42)으로 나타내어진다.
Figure pct00025
식(41) 및 식(42)으로부터, 전파 시간 T2nu과 전파 시간 T2nd의 전파 시간차 ΔT2n(=T2nu-T2nd)는 이하의 식(43)으로 나타내어진다.
Figure pct00026
여기서, 전술한 식(27)의 경우와 마찬가지로, 식(43)의 제1항의 분모에 있어서, 값 V2cos(θ+ε)2은, 음속 C의 제곱과 비교하여 매우 작기 때문에, 이것을 생략하여도 상관없다고 생각된다. 또한, 전술한 식(23)의 경우와 마찬가지로, 식(43)의 제2항의 분모에 있어서, 값 V2cos(θ-ε)2은, 음속 C의 제곱과 비교하여 매우 작기 때문에, 이것을 생략하여도 상관없다고 생각된다. 그렇다면, 전파 시간차 ΔT2n는 이하의 식(44)으로서 나타낼 수 있다.
Figure pct00027
이어서, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2m-1회 횡단하는(가로지르는) 경로에 관해서, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2n-1회 횡단하는(가로지르는) 경로와 마찬가지이기 때문에 상세한 설명을 생략하지만, 배관(A)의 상류 측에 설치된 제1 초음파 센서(20A)로부터 송신된 초음파가 전파하는 전파 시간 T2md과 배관(A)의 하류 측에 설치된 제2 초음파 센서(30A)로부터 송신된 초음파가 전파하는 전파 시간 T2mu의 전파 시간차 ΔT2m(=T2mu-T2md)는 이하의 식(45)으로 나타내어진다.
Figure pct00028
전파 시간차 ΔT2n와 전파 시간차 ΔT2m와의 차인 전파 시간차 ΔT2(n-m)(=ΔT2n-ΔT2m)는, 식(44) 및 식(45)과 삼각함수의 덧셈정리를 이용하여, 이하의 식(46)으로 나타내어진다.
Figure pct00029
배관(A)의 축에 대하여 각도 ε를 갖는 유체의 유속 V에 있어서, 배관(A)의 축에 평행한 성분은 Vcosε로 나타내어지기 때문에, 식(46)으로부터, 유체의 유속 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε은 이하의 식(47)으로 나타내어진다.
Figure pct00030
전술한 식(30)과 마찬가지로, 식(47)에는, 각도 ε를 포함하는 항이 존재하지 않는다. 그리고, 식(47)에서, 음속 C, 전파 경로 길이 L, 각도 θ 및 (n-m)의 값은, 유체 속도의 측정 전에 이미 알려진 값이기 때문에, 식(47)으로부터, 전파 시간차 ΔT2(n-m)에 기초하여, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε을 산출할 수 있다.
따라서, 연산 제어부(55)는, 도 5에 도시하는 S205에서, 메모리 등에 기억된 음속 C, 전파 경로 길이 L 및 각도 θ를 독출하고, S204에서 산출한 차, 즉, 전파 시간차 ΔT2(n-m)와 식(47)으로부터, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε을 산출한다(S205).
이와 같이, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차와의 시간차로부터, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2(n-m)회, 즉, 짝수 회 횡단하는 유체 전파 경로에 관해서, 초음파가 하류 측에서 상류 측으로 전파하는 시간과 초음파가 상류 측에서 하류 측으로 전파하는 시간과의 전파 시간차를 구하는 것이 가능하다. 그리고, 식(47)에 도시하는 것과 같이, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε은, 유체 속도 V의 측정 전에 이미 알려진 값과, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 짝수 회 횡단할 때의 전파 시간차, 예컨대 전파 시간차 ΔT2(n-m)를 이용하여 나타내어진다. 따라서, 본체부(50)의 연산 제어부(55)는, 유체의 흐름이 배관(A)의 축에 대하여 각도 ε를 가지며, 유체 속도 V가 배관(A)의 축에 수직인 성분을 포함하는 경우라도, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε을 정확하게 산출할 수 있다.
또한, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분이 산출되기 때문에, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 수직인 성분의 영향을 억제하기 위해서, 상류 측에 긴 직관을 배치할 필요가 없다.
이어서, 초음파 유량계(100)의 제1 초음파 송수신부(20) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 배치에 관해서 설명한다.
도 11은 도 1에 도시한 제1 초음파 센서(20A)가 송신하는 초음파의 각도를 설명하는 확대 단면도이다. 도 11에 도시하는 것과 같이, 제1 초음파 센서(20A)의 초음파 송수신기(22)로부터 발생한 초음파는, 입사각 θA으로 배관(A)의 외주면(외벽)에 입사한다. 굴절각 θB은 전술한 것과 같이 스넬의 법칙에 의해 정해진다. 예컨대, 입사각 θA이 45도이고, 배관(A)의 재료가 스테인리스강(SUS)인 경우, 굴절각 θB은 65° 정도가 된다. 또한, 배관(A)을 전파하는 초음파는, 굴절각 θB에 기초한 입사각(90°-θB)으로 배관(A)의 내벽에 입사한다. 굴절각 θc도, 전술한 것과 같이 스넬의 법칙에 의해 정해진다. 예컨대, 전술한 예에서, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체가 액체, 예컨대 물인 경우, 굴절각 θC은 16° 정도가 된다. 이 경우, 전술한 각도 θ는 74° 정도이다. 또한, 전술한 예에서, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체가 기체, 예컨대 공기인 경우, 굴절각 θC은 5° 정도가 된다. 이 경우, 전술한 각도 θ는 85° 정도이다.
이와 같이, 유체를 전파하는 초음파의 각도 θ는 비교적 크고, 제1 초음파 센서(20A)로부터 송신된 초음파는, 배관(A)의 내부의 유체를 수직에 가까운 각도 θ로 전파한다. 특히, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체가 기체인 경우, 유체가 액체인 경우와 비교하여, 음속 C이 늦어지기 때문에, 각도 θ는 커지는 경향이 있다. 또한, 웨지(21)와 배관(A)의 외벽과의 계면 및 배관(A)의 내벽과 배관(A) 내부의 유체와의 계면에 있어서, 초음파의 입사각이 임계각을 넘지 않게 하고자 하면, 입사각 θA은 선택할 수 있는 범위가 좁아지고, 초음파의 각도 θ는 선택의 여지가 적다. 또한, 전술한 예에서는, 스테인리스강(SUS)제의 배관(A)인 경우를 나타냈지만, 배관(A)이 다른 부재, 예컨대, 수지제라도 마찬가지로 초음파의 각도 θ는 비교적 커지는 경향은 변하지 않는다.
한편, 도 11에서는, 제1 초음파 센서(20A)가 송신하는 초음파의 예를 도시했지만, 제2 초음파 센서(30A)가 송신하는 초음파도 마찬가지이다. 따라서, 전술한 제1 초음파 센서(20A)가 송신하는 초음파의 설명을 가지고서 제2 초음파 센서(30A)가 송신하는 초음파의 설명을 대신한다.
도 12는 도 1에 도시한 제1 초음파 센서(20A)로부터 송신된 초음파를 제2 초음파 센서(30A)가 수신하는 모습을 설명하는 측방 단면도이고, 도 13은 도 1에 도시한 제2 초음파 센서(30A)로부터 송신된 초음파를 제1 초음파 센서(20A)가 수신하는 모습을 설명하는 측방 단면도이다. 도 12에 도시하는 것과 같이, 제1 초음파 센서(20A)로부터 초음파 송수신기(22)의 치수(종횡의 길이)로 송신된 초음파는, 유체 속도 V가 0(제로)[m/s]일 때, 도 12에서 배관(A)의 내부에 실선으로 나타내는 경로로, 배관(A) 내부의 유체를 전파한다. 제2 초음파 센서(30A)는 상기 초음파 모두를 수신하도록 배치되고, 제2 초음파 센서(30A)의 초음파 송수신기(22)는 치수(종횡의 길이)가 결정된다. 마찬가지로, 도 13에 도시하는 것과 같이, 제2 초음파 센서(30A)로부터 초음파 송수신기(22)의 치수(종횡의 길이)로 송신된 초음파는, 유체 속도 V가 0(제로)[m/s]일 때, 도 13에서 배관(A)의 내부에 실선으로 나타내는 경로로, 배관(A) 내부의 유체를 전파한다. 제1 초음파 센서(20A)는 상기 초음파 모두를 수신하도록 배치되고, 제1 초음파 센서(20A)의 초음파 송수신기(22)는 치수(종횡의 길이)가 결정된다.
한편, 유체 속도 V가 0(제로)[m/s]이 아닌 경우, 배관(A) 내부의 유체를 전파하는 초음파는, 유체 속도 V의 영향을 받아 하류 측(도 12 및 도 13에서 우측)으로 흐른다. 즉, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A)로부터 송신된 초음파는, 도 12 및 도 13에서 배관(A)의 내부에 파선으로 나타내는 경로로, 배관(A) 내부의 유체를 전파한다. 따라서, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A)는, 이 경우도 고려하여, 초음파 유량계(100)가 측정할 수 있는 유체 속도 V의 최대치, 예컨대 30[m/s]일 때에, 초음파 송수신기(22)의 치수(종횡의 길이)로 송신된 초음파 중 소정의 비율, 예컨대 50%의 초음파를 수신하도록, 웨지(21)의 치수, 특히, 배관(A)의 축 방향의 길이를 결정한다.
이와 같이, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A)의 배치 및 치수를 결정함으로써, 예컨대, 배관(A)의 구경(사이즈)이 예컨대 50 A나 150 A인 경우라도, 초음파 유량계(100)는, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A)를 배관(A)의 외주에 설치할 수 있다.
한편, 도 12 및 도 13에서는, 설명을 간략하게 하기 위해, 유체는, 배관(A)의 축에 대하여 평행한 방향을 따라서 속도 V로 흐르고 있고, 초음파가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 1회 횡단하는(가로지르는) 경로의 예를 도시했다. 그러나, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A)로부터 송신된 초음파는, 상술한 것과 같이, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2n-1회 횡단하는 제1 유체 전파 경로와, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2m-1회 횡단하는 제2 유체 전파 경로를 전파한다. 따라서, 실제로는, 제1 유체 전파 경로 및 제2 유체 전파 경로를 고려하여, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A)의 배치와, 초음파 송수신기(22) 및 웨지(21)의 치수가 결정된다. 또한, 유체가 배관(A)의 축에 대하여 각도 ε를 가지고서 흐르고 있는 경우, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε에 기초하여, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A)의 배치와, 초음파 송수신기(22) 및 웨지(21)의 치수가 결정된다.
도 14 및 도 15는, 가상적인 초음파 유량계에 있어서의 제1 초음파 센서(120A) 및 제2 초음파 센서(130A)의 배치를 설명하는 측방 단면도이다. 한편, 가상적인 초음파 유량계는, 초음파 유량계(100)의 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A)와 동일 구성의 제1 초음파 센서(120A) 및 제2 초음파 센서(130A)를 구비하고, 제1 초음파 센서(120A) 및 제2 초음파 센서(130A)와의 배치가 다른 것 이외에는 초음파 유량계(100)와 마찬가지다. 도 14 및 도 15에 도시하는 것과 같이, 가상적인 초음파 유량계에서는, 제1 초음파 센서(120A) 및 제2 초음파 센서(130A)는, 배관(A)의 한쪽(도 14 및 도 15에서의 상측)에서, 동일 직선상에 배치된다.
전술한 것과 같이, 유체를 전파하는 초음파의 각도 θ는 비교적 크기 때문에, 유체 속도 V가 0(제로)[m/s]인 경우, 초음파가 x축 방향을 따라서 진행하는(이동하는) 거리는 매우 짧다. 따라서, 가상적인 초음파 유량계에 있어서, 도 12 및 도 13의 경우와 마찬가지로, 유체 속도 V가 0(제로)[m/s]일 때, 제1 초음파 센서(120A) 및 제2 초음파 센서(130A)가, 초음파 송수신기(22)의 치수(종횡의 길이)로 송신되는 초음파 모두를 수신하도록 배치하면, 제1 초음파 센서(120A) 및 제2 초음파 센서(130A)를 근접하여 배치할 필요가 있다.
여기서, 제1 초음파 센서(120A) 및 제2 초음파 센서(130A)로부터 송신된 초음파는, 배관(A)의 내부의 유체를 전파하는 유체 전파파와, 배관(A)의 관벽에서 반사되어 배관(A)을 전파하는 배관 전파파로 나뉜다. 유체 전파파는 검출하여야 할 신호(신호 성분)인 데 대하여, 배관 전파파는 신호에 대한 노이즈(노이즈 성분)이다. 도 14 및 도 15에 도시하는 것과 같이, 제1 초음파 센서(120A) 및 제2 초음파 센서(130A)를 근접하여 배치하면, 노이즈 성분인 배관 전파파를 수신하기 쉽게 되어, 유체 전파파와 배관 전파파의 식별이 곤란하게 된다.
또한, 가상적인 초음파 유량계에 있어서, 도 12 및 도 13의 경우와 마찬가지로, 측정 가능한 유체 속도 V의 최대치, 예컨대 30[m/s]일 때에, 초음파 송수신기(22)의 치수(종횡의 길이)로 송신된 초음파 중 50%의 초음파를 수신하도록, 웨지(21)의 치수(배관(A)의 축 방향의 길이)를 결정하면, 제1 초음파 센서(120A) 및 제2 초음파 센서(130A)가 상호 간섭하여 설치의 장해(방해)가 된다.
그 때문에, 도 14 및 도 15에 도시하는 가상적인 초음파 유량계에서는, 측정 가능한 유체 속도 V의 최대치를, 예컨대 20[m/s] 미만으로 제한하여, 웨지(21)의 치수(배관(A)의 축 방향의 길이)를 작게 할 필요가 있다.
이에 대하여, 초음파 유량계(100)는, 도 12 및 도 13에 도시하는 것과 같이, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)가, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 배치된다. 이에 따라, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)의 치수(배관(A)의 축 방향의 길이)가 커지더라도, 상호 간섭하여 설치의 장해(방해)가 되는 일은 없다.
또한, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)를, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 배치함으로써, 도 14 및 도 15에 도시한 가상적인 초음파 유량과 같이, 제1 초음파 센서(120A) 및 제2 초음파 센서(130A)를 배관(A)의 동일 직선상에 배치하는 경우와 비교하여, 배관 전파파를 수신하기 어렵게 된다.
본 실시형태에서는, 제1 전파 경로가 제2 전파 경로보다 긴 경우(n>m)를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않는다. 제1 전파 경로와 제2 전파 경로가 같은 경우(n=m)가 아니면 되며, 제2 전파 경로가 제1 전파 경로보다 긴 경우(m>n)라도 좋다. 이 경우, 연산 제어부(55)는, S204에서 제2 전파 시간차와 제1 전파 시간차와의 차를 산출하여, S205에서, 이 차와 식(47)으로부터, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε을 산출한다.
이와 같이, 본 실시형태에 있어서의 초음파 유량계(100)에 따르면, 제1 초음파 송수신부(20) 및 제2 초음파 송수신부(30)가, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 배치되고, 본체부(50)의 연산 제어부(55)가, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2n-1회(n은 양의 정수) 횡단하는 제1 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부(30)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부(20)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제1 전파 시간차와, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2m-1회(m은 n 이외의 양의 정수) 횡단하는 제2 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부(30)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부(20)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분을 산출한다. 여기서, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차와의 시간차로부터, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2(n-m)회, 즉, 짝수 회 횡단하는 유체 전파 경로에 관해서, 초음파가 하류 측에서 상류 측으로 전파하는 시간과 초음파가 상류 측에서 하류 측으로 전파하는 시간과의 전파 시간차를 구하는 것이 가능하다. 그리고, 식(47)에 나타내는 것과 같이, 유체 속도에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε은, 유체 속도 V의 측정 전에 이미 알려진 값과, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 짝수 회 횡단할 때의 전파 시간차, 예컨대 전파 시간차 ΔT2(n-m)를 이용하여 나타내어진다. 따라서, 본체부(50)의 연산 제어부(55)는, 유체의 흐름이 배관(A)의 축에 대하여 각도 ε를 가지며, 유체 속도 V가 배관(A)의 축에 수직인 성분을 포함하는 경우라도, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε을 정확하게 산출할 수 있다. 따라서, 초음파 유량계(100)는, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε에 기초하여, 유체의 유량 Q을 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분이 산출되기 때문에, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 수직인 성분의 영향을 억제하기 위해서, 상류 측에 긴 직관을 배치할 필요가 없다. 따라서, 초음파 유량계(100)는, 설치 위치의 제약(제한)을 완화할 수 있어, 예컨대, 굴곡된 배관의 바로 뒤에 설치하는 등, 임의의 장소에 설치할 수 있다.
또한, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)가, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 배치된다. 이에 따라, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)의 치수(배관(A)의 축 방향의 길이)가 커지더라도, 상호 간섭하여 설치의 장해(방해)가 되는 일은 없다. 따라서, 초음파 유량계(100)는, 제1 초음파 송수신부(20) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 치수(배관(A)의 축 방향의 길이)를 크게 하여 측정할 수 있는 유속 범위를 용이하게 넓힐 수 있다.
또한, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)를, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 배치함으로써, 도 14 및 도 15에 도시하는 가상적인 초음파 유량과 같이, 제1 초음파 센서(120A) 및 제2 초음파 센서(130A)를 배관(A)의 동일 직선상에 배치하는 경우와 비교하여, 배관 전파파를 수신하기 어렵게 된다. 따라서, 초음파 유량계(100)는 SN비를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 초음파 유량계(100)에 따르면, 제1 초음파 송수신부(20)가 배관(A)의 외주에 설치되는 제1 초음파 센서(20A)를 구비하고, 제2 초음파 송수신부(30)가 배관(A)의 외주에 설치되는 제2 초음파 센서(30A)를 구비한다. 이에 따라, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제1 초음파 송수신부(20) 및 제2 초음파 송수신부(30)를, 배관 공사를 하는 일없이, 배관(A)에 용이하게 설치할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 초음파 유량계(100)에 따르면, 제1 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 3회 횡단하는 경로이고, 제2 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 1회 횡단하는 경로이다. 이에 따라, 전파 시간차 Δt3와 전파 시간차 Δt1에 기초하여, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2회 횡단하는 경로의 전파 시간차 ΔT2를 용이하게 구할 수 있고, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε을 산출하는 본체부(50)를 용이하게 실현(구성)할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 초음파 유량계(100)에 따르면, 제1 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 5회 횡단하는 경로이고, 제2 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 3회 횡단하는 경로이다. 이에 따라, 전파 시간차 Δt5와 전파 시간차 Δt3에 기초하여, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2회 횡단하는 경로의 전파 시간차 ΔT2를 용이하게 구할 수 있고, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε을 산출하는 본체부(50)를 용이하게 실현(구성)할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 초음파 유량계(100)에 따르면, 제1 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 7회 횡단하는 경로이고, 제2 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 5회 횡단하는 경로이다. 이에 따라, 전파 시간차 Δt7와 전파 시간차 Δt5에 기초하여, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2회 횡단하는 경로의 전파 시간차 ΔT2를 용이하게 구할 수 있고, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε을 산출하는 본체부(50)를 용이하게 실현(구성)할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 초음파 유량계(100)가 사용하는 유체 속도 측정 방법에 따르면, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2n-1회(n은 양의 정수) 횡단하는 제1 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부(30)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부(20)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제1 전파 시간차와, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2m-1회(m은 n 이외의 양의 정수) 횡단하는 제2 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부(30)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부(20)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분을 산출하는 단계가 포함된다. 여기서, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차와의 시간차로부터, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2(n-m)회, 즉, 짝수 회 횡단하는 유체 전파 경로에 관해서, 초음파가 하류 측에서 상류 측으로 전파하는 시간과 초음파가 상류 측에서 하류 측으로 전파하는 시간과의 전파 시간차를 구하는 것이 가능하다. 그리고, 식(47)에 나타내는 것과 같이, 유체 속도에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε은, 유체 속도 V의 측정 전에 이미 알려진 값과, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 짝수 회 횡단할 때의 전파 시간차, 예컨대 전파 시간차 ΔT2(n-m)를 이용하여 나타내어진다. 따라서, 본체부(50)의 연산 제어부(55)는, 유체의 흐름이 배관(A)의 축에 대하여 각도 ε를 가지며, 유체 속도 V가 배관(A)의 축에 수직인 성분을 포함하는 경우라도, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε을 정확하게 산출할 수 있다. 따라서, 초음파 유량계(100)는, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε에 기초하여, 유체의 유량 Q을 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분이 산출되기 때문에, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 수직인 성분의 영향을 억제하기 위해서, 상류 측에 긴 직관을 배치할 필요가 없다. 따라서, 초음파 유량계(100)는, 설치 위치의 제약(제한)을 완화할 수 있어, 예컨대, 굴곡된 배관의 바로 뒤에 설치하는 등, 임의의 장소에 설치할 수 있다.
또한, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)가, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 배치된다. 이에 따라, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)의 치수(배관(A)의 축 방향의 길이)가 커지더라도, 상호 간섭하여 설치의 장해(방해)로 되는 일은 없다. 따라서, 초음파 유량계(100)는, 제1 초음파 송수신부(20) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 치수(배관(A)의 축 방향의 길이)를 크게 하여 측정할 수 있는 유속 범위를 용이하게 넓힐 수 있다.
또한, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)를, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 배치함으로써, 도 14 및 도 15에 도시하는 가상적인 초음파 유량과 같이, 제1 초음파 센서(120A) 및 제2 초음파 센서(130A)를 배관(A)의 동일 직선상에 배치하는 경우와 비교하여, 배관 전파파를 수신하기 어렵게 된다. 따라서, 초음파 유량계(100)는 SN비를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 초음파 유량계(100)가 실행하는 유체 속도 측정 프로그램에 따르면, 유체 속도 측정 처리(S200)가, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2n-1회(n은 양의 정수) 횡단하는 제1 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부(30)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부(20)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제1 전파 시간차와, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2m-1회(m은 n 이외의 양의 정수) 횡단하는 제2 유체 전파 경로를, 제2 초음파 송수신부(30)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과 제1 초음파 송수신부(20)로부터 송신된 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분을 산출하는 단계를 포함한다. 여기서, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차와의 시간차로부터, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2(n-m)회, 즉, 짝수 회 횡단하는 유체 전파 경로에 관해서, 초음파가 하류 측에서 상류 측으로 전파하는 시간과 초음파가 상류 측에서 하류 측으로 전파하는 시간과의 전파 시간차를 구하는 것이 가능하다. 그리고, 식(47)에 나타내는 것과 같이, 유체 속도에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε은, 유체 속도 V의 측정 전에 이미 알려진 값과, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 짝수 회 횡단할 때의 전파 시간차, 예컨대 전파 시간차 ΔT2(n-m)를 이용하여 나타내어진다. 따라서, 유체 속도 측정 처리(S200)는, 유체의 흐름이 배관(A)의 축에 대하여 각도 ε를 가지며, 유체 속도 V가 배관(A)의 축에 수직인 성분을 포함하는 경우라도, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε을 정확하게 산출할 수 있다. 따라서, 초음파 유량계(100)는, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε에 기초하여, 유체의 유량 Q을 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차에 기초하여, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분이 산출되기 때문에, 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 수직인 성분의 영향을 억제하기 위해서, 상류 측에 긴 직관을 배치할 필요가 없다. 따라서, 초음파 유량계(100)는, 설치 위치의 제약(제한)을 완화할 수 있어, 예컨대, 굴곡된 배관의 바로 뒤에 설치하는 등, 임의의 장소에 설치할 수 있다.
또한, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)가, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 배치된다. 이에 따라, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)의 치수(배관(A)의 축 방향의 길이)가 커지더라도, 상호 간섭하여 설치의 장해(방해)가 되는 일은 없다. 따라서, 초음파 유량계(100)는, 제1 초음파 송수신부(20) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 치수(배관(A)의 축 방향의 길이)를 크게 하여 측정할 수 있는 유속 범위를 용이하게 넓힐 수 있다.
또한, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)를, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 배치함으로써, 도 14 및 도 15에 도시하는 가상적인 초음파 유량과 같이, 제1 초음파 센서(120A) 및 제2 초음파 센서(130A)를 배관(A)의 동일 직선상에 배치하는 경우와 비교하여, 배관 전파파를 수신하기 어렵게 된다. 따라서, 초음파 유량계(100)는 SN비를 향상시킬 수 있다.
<제2 실시형태>
도 16 및 도 17은, 본 발명에 따른 초음파 유량계, 유체 속도 측정 방법 및 유체 속도 측정 프로그램, 그리고 유체 속도 측정 방법의 제2 실시형태를 도시하기 위한 것이다. 또한, 특별히 기재가 없는 한, 전술한 제1 실시형태와 동일 구성 부분은 동일 부호를 이용하여 나타내고, 그 설명을 생략한다. 또한, 전술한 제1 실시형태와 유사한 구성 부분은 유사한 부호를 이용하여 나타내고, 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 도시하지 않는 구성, 동작 및 배치는 전술한 제1 실시형태와 같은 식으로 한다.
도 16은 제2 실시형태에 있어서의 초음파 유량계(100A)의 개략 구성을 도시하는 구성도이다. 도 16에 도시하는 것과 같이, 초음파 유량계(100A)는, 초음파 유량계(100)와 마찬가지로, 제1 초음파 송수신부(20)와, 제2 초음파 송수신부(30)와, 본체부(50)를 구비한다.
제1 초음파 송수신부(20)는, 배관(A)의 외주에 설치되는 제1 초음파 센서(20A) 및 제1 초음파 센서(20B)의 2개를 구비한다. 또한, 제2 초음파 송수신부(30)는, 배관(A)의 외주에 설치되는 제2 초음파 센서(30A) 및 제2 초음파 센서(30B)의 2개를 갖춘다. 이에 따라, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제1 초음파 송수신부(20) 및 제2 초음파 송수신부(30)를, 배관 공사를 하는 일없이, 배관(A)에 용이하게 설치할 수 있다.
제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A)는 배관(A)의 소정의 위치에 설치되고, 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)는 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A)에 대하여 하류 측(도 16에서의 우측)의 배관(A)에 설치된다. 바꿔 말하면, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A)는 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)에 대하여 상류 측(도 16에서의 좌측)의 배관(A)에 설치된다.
마찬가지로, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20B)는 배관(A)의 소정의 위치에 설치되고, 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30B)는 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20B)에 대하여 하류 측(도 16에서의 우측)의 배관(A)에 설치된다. 바꿔 말하면, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20B)는 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30B)에 대하여 상류 측(도 16에서의 좌측)의 배관(A)에 설치된다.
또한, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20A)와 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30A)는, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 대향하여 배치된다. 마찬가지로, 제1 초음파 송수신부(20)의 제1 초음파 센서(20B)와 제2 초음파 송수신부(30)의 제2 초음파 센서(30B)는, 배관(A)의 내부를 흐르는 유체를 사이에 두고서 대향하여 배치된다.
본체부(50)의 전환부(51)에는, 제1 초음파 센서(20A), 제1 초음파 센서(20B), 제2 초음파 센서(30A) 및 제2 초음파 센서(30B)의 4개가 접속된다. 전환부(51)는, 연산 제어부(55)로부터 입력되는 제어 신호에 기초하여 전환 스위치를 전환하여, 예컨대, 제1 초음파 센서(20A), 제1 초음파 센서(20B), 제2 초음파 센서(30A) 및 제2 초음파 센서(30B) 중 어느 하나를 송신 회로부(52)에 접속시키는 동시에, 상기 하나로부터 송신된 초음파를 수신할 수 있는 것을 수신 회로부(53)에 접속시킨다. 구체적으로는, 예컨대, 제1 초음파 센서(20A)를 송신 회로부(52)에 접속시켰을 때에는, 제1 초음파 센서(20A)로부터 송신된 초음파를 수신할 수 있는 제2 초음파 센서(30A)를 수신 회로부(53)에 접속시킨다.
도 17은 제2 실시형태에 있어서의 제1 전파 시간차와 제2 전파 시간차와의 차를 산출하는 일례를 설명하기 위한 측방 단면도이다. 한편, 제1 실시형태와 마찬가지로, 도 17에서, 배관(A)의 축에 평행한 방향을 x축(또는 x축 방향), x축에 수직이며, 배관(A)의 직경에 평행한 방향을 y축(또는 y축 방향), x축 및 y축에 수직인 방향을 z축(또는 z축 방향)으로 한다. 또한, 도 17에서, 유체의 속도를 V[m/s], 유체 속을 초음파가 전파할 때의 속도(이하, 음속이라고 함)를 C[m/s], 유체를 전파하는 초음파의 전파 경로 길이를 L[m]로 하고, 배관(A)의 내벽과 초음파의 전파 경로가 이루는 각도를 θ로 하여 설명한다. 도 17에 도시하는 예는, 제1 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 5회 횡단하는(가로지르는) 경로이고, 제2 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 3회 횡단하는(가로지르는) 경로이다. 이 경우, 도 9에 도시한 경우와 마찬가지로, 제1 유체 전파 경로와 제2 유체 전파 경로와의 차분의 경로는, 도 17에서 배관(A)의 내부에 실선으로 나타내는 것과 같이, 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2회 횡단하는(가로지르는) 경로가 된다.
한편, 도 9에 도시한 경우와 달리, 도 17에서는, 제1 유체 전파 경로를 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A)를 이용하여 제1 전파 시간차를 계측하고, 제2 유체 전파 경로를 제1 초음파 센서(20B) 및 제2 초음파 센서(30B)를 이용하여 제2 전파 시간차를 계측한다.
도 17에 도시하는 경우라도, 연산 제어부(55)는, 제1 실시형태와 마찬가지로, 도 5에 도시한 S204에서 산출한 시간차, 예컨대 전파 시간차 ΔT2(n-m)와 식(47)으로부터, S205에서 유체 속도 V에 있어서의 배관(A)의 축에 평행한 성분 Vcosε을 산출할 수 있다.
본 실시형태에서는, 도 17에서, 제1 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 5회 횡단하는(가로지르는) 경로이고, 제2 유체 전파 경로가 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 3회 횡단하는(가로지르는) 경로인 예를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않는다. 제1 실시형태와 마찬가지로, 제1 유체 전파 경로는 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2n-1회(n은 양의 정수) 횡단하는(가로지르는) 경로라도 좋고, 제2 유체 전파 경로는 배관(A)의 내부를 직경 방향으로 2m-1회(m은 n 이외의 양의 정수) 횡단하는(가로지르는) 경로라도 좋다.
이와 같이, 본 실시형태에 있어서의 초음파 유량계(100A)에 따르면, 제1 초음파 송수신부(20)가 배관(A)의 외주에 설치되는 제1 초음파 센서(20A) 및 제1 초음파 센서(20B)의 2개를 구비하고, 제2 초음파 송수신부(30)가 배관(A)의 외주에 설치되는 제2 초음파 센서(30A) 및 제2 초음파 센서(30B)의 2개를 구비한다. 이에 따라, 제1 실시형태의 초음파 유량계(100)와 같은 작용 효과를 얻을 수 있는 동시에, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제1 초음파 송수신부(20) 및 제2 초음파 송수신부(30)를, 배관 공사를 하는 일없이, 배관(A)에 용이하게 설치할 수 있다.
또한, 제1 초음파 송수신부(20)가 2개의 제1 초음파 센서(20A) 및 제1 초음파 센서(20B)를 구비하고, 제2 초음파 송수신부(30)가 2개의 제2 초음파 센서(30A) 및 제2 초음파 센서(30B)를 구비하기 때문에, 예컨대, 제1 초음파 센서(20A) 및 제2 초음파 센서(30A)를 이용하여 제1 전파 시간차를 계측하고, 제1 초음파 센서(20B) 및 제2 초음파 센서(30B)를 이용하여 제2 전파 시간차를 계측하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 초음파 유량계(100A)가 사용하는 유체 속도 측정 방법에 따르면, 제1 실시형태의 초음파 유량계(100)가 사용하는 유체 속도 측정 방법과 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 초음파 유량계(100A)가 실행하는 유체 속도 측정 프로그램에 따르면, 제1 실시형태의 초음파 유량계(100)가 실행하는 유체 속도 측정 프로그램과 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.
한편, 전술한 각 실시형태의 구성은, 조합하거나 혹은 일부의 구성 부분을 교체하거나 하여도 좋다. 또한, 본 발명의 구성은 전술한 각 실시형태에만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경을 가하더라도 좋다.
본 발명은, 초음파를 이용하여 배관을 흐르는 유체의 속도를 측정하는 기술에 적용할 수 있다.
20: 제1 초음파 송수신부, 20A, 20B: 제1 초음파 센서, 21: 웨지, 21a: 바닥면, 21b: 사면, 22: 압전 소자, 30: 제2 초음파 송수신부, 30A, 30B: 제2 초음파 센서, 50: 본체부, 51: 전환부, 52: 송신 회로부, 53: 수신 회로부, 54: 시간 계측부, 55: 연산 제어부, 56: 입출력부, 100, 100A: 초음파 유량계, A: 배관

Claims (8)

  1. 내부를 유체가 흐르는 배관에 설치되어, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제1 초음파 송수신부와,
    상기 제1 초음파 송수신부에 대하여 하류 측의 상기 배관에 설치되어, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제2 초음파 송수신부와,
    상기 유체의 속도를 측정하는 본체부를 구비하고,
    상기 제1 초음파 송수신부 및 상기 제2 초음파 송수신부는, 상기 유체를 사이에 두고서 배치되고,
    상기 본체부는, 상기 배관의 내부를 직경 방향으로 2n-1회(n은 양의 정수) 횡단하는 제1 유체 전파 경로를, 상기 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 상기 초음파가 전파하는 시간과 상기 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 상기 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제1 전파 시간차와, 상기 배관의 내부를 직경 방향으로 2m-1회(m은 n 이외의 양의 정수) 횡단하는 제2 유체 전파 경로를, 상기 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 상기 초음파가 전파하는 시간과 상기 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 상기 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제2 전파 시간차에 기초하여, 상기 유체 속도에 있어서의 상기 배관의 축에 평행한 성분을 산출하는 것인 초음파 유량계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 초음파 송수신부 및 상기 제2 초음파 송수신부의 각각은, 상기 배관의 외주에 설치되는 초음파 센서를 구비하는 것인 초음파 유량계.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 초음파 송수신부 및 상기 제2 초음파 송수신부의 각각은, 상기 배관의 외주에 설치되는 초음파 센서를 2개 구비하는 것인 초음파 유량계.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 유체 전파 경로는, 상기 배관의 내부를 직경 방향으로 3회 횡단하는 경로이고,
    상기 제2 유체 전파 경로는, 상기 배관의 내부를 직경 방향으로 1회 횡단하는 경로인 것인 초음파 유량계.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 유체 전파 경로는, 상기 배관의 내부를 직경 방향으로 5회 횡단하는 경로이고,
    상기 제2 유체 전파 경로는, 상기 배관의 내부를 직경 방향으로 3회 횡단하는 경로인 것인 초음파 유량계.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 유체 전파 경로는, 상기 배관의 내부를 직경 방향으로 7회 횡단하는 경로이고,
    상기 제2 유체 전파 경로는, 상기 배관의 내부를 직경 방향으로 5회 횡단하는 경로인 것인 초음파 유량계.
  7. 내부를 유체가 흐르는 배관에 설치되어, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제1 초음파 송수신부와, 상기 제1 초음파 송수신부에 대하여 하류 측의 상기 배관에 설치되어, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제2 초음파 송수신부와, 상기 유체의 속도를 측정하는 본체부를 구비하고, 상기 제1 초음파 송수신부 및 상기 제2 초음파 송수신부는, 상기 유체를 사이에 두고서 배치되는, 초음파 유량계가 사용하는 유체 속도 측정 방법으로서,
    상기 배관의 내부를 직경 방향으로 2n-1회(n은 양의 정수) 횡단하는 제1 유체 전파 경로를, 상기 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 상기 초음파가 전파하는 시간과 상기 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 상기 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제1 전파 시간차와, 상기 배관의 내부를 직경 방향으로 2m-1회(m은 n 이외의 양의 정수) 횡단하는 제2 유체 전파 경로를, 상기 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 상기 초음파가 전파하는 시간과 상기 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 상기 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제2 전파 시간차에 기초하여, 상기 유체 속도에 있어서의 상기 배관의 축에 평행한 성분을 산출하는 단계를 포함하는 유체 속도 측정 방법.
  8. 내부를 유체가 흐르는 배관에 설치되어, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제1 초음파 송수신부와, 상기 제1 초음파 송수신부에 대하여 하류 측의 상기 배관에 설치되어, 초음파의 송신 및 수신을 행하는 제2 초음파 송수신부와, 상기 유체의 속도를 측정하는 본체부를 구비하고, 상기 제1 초음파 송수신부 및 상기 제2 초음파 송수신부는, 상기 유체를 사이에 두고서 배치되는, 초음파 유량계가 실행하는 유체 속도 측정 프로그램으로서,
    상기 배관의 내부를 직경 방향으로 2n-1회(n은 양의 정수) 횡단하는 제1 유체 전파 경로를, 상기 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 상기 초음파가 전파하는 시간과 상기 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 상기 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제1 전파 시간차와, 상기 배관의 내부를 직경 방향으로 2m-1회(m은 n 이외의 양의 정수) 횡단하는 제2 유체 전파 경로를, 상기 제2 초음파 송수신부로부터 송신된 상기 초음파가 전파하는 시간과 상기 제1 초음파 송수신부로부터 송신된 상기 초음파가 전파하는 시간과의 차인 제2 전파 시간차에 기초하여, 상기 유체 속도에 있어서의 상기 배관의 축에 평행한 성분을 산출하는 단계를 포함하는 유체 속도 측정 프로그램.
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